Introducere

Fibrele constituie un element esențial în dieta umană. S-a demonstrat că previne absorbția colesterolului și bolile de inimă și ajută la controlul diabetului (1). Institutul de Medicină al Academiei Naționale de Științe recomandă masculului adult să consume cel puțin 38 de grame de fibre solubile pe zi - singurul tip de fibre pe care oamenii îl pot digera (1). Celălalt tip de fibre mai abundente, fibre insolubile, trece prin sistemul digestiv uman practic intact și nu oferă nicio valoare nutritivă.

Ce se întâmplă dacă oamenii ar putea digera fibrele? Celuloza, principalul tip de fibre insolubile din dieta umană, reprezintă, de asemenea, cel mai abundent compus organic de pe Pământ (2). Aproape fiecare plantă are pereți celulari din celuloză, care constă din mii de unități de glucoză care alternează structural (Fig. 1). Această configurație conferă celulozei puterea sa, dar o împiedică să interacționeze cu enzimele umane. Celuloza conține la fel de multă energie ca amidonul, deoarece ambele molecule constau din subunități de glucoză. Este posibilă utilizarea acelei energii numai prin arderea lemnului și a altor materiale de celuloză. Cu toate acestea, dacă acea energie ar fi disponibilă din punct de vedere fiziologic, oamenii ar putea reduce consumul de alimente și ar produce mult mai puține deșeuri digestive decât fac în prezent.

deșeurilor

Figura 1: Structura celulozei

Sistemul digestiv uman

Fără a lua în considerare digestia celulozei, digestia umană este încă un proces foarte eficient (Fig. 2). Chiar înainte ca alimentele să intre în gură, glandele salive încep automat să secrete enzime și lubrifianți pentru a începe procesul digestiv. Amilaza descompune amidonul din gură în zaharuri simple, iar dinții macină mâncarea în bucăți mai mici pentru o digestie suplimentară. După înghițirea alimentelor, acidul clorhidric și diferite enzime lucrează asupra alimentelor din stomac timp de două până la patru ore. În acest timp, stomacul absoarbe glucoza, alte zaharuri simple, aminoacizi și unele substanțe liposolubile (3).

Figura 2: Organele sistemului digestiv uman.

Amestecul de alimente și enzime, numit chim, se mută apoi în intestinul subțire unde rămâne pentru următoarele trei până la șase ore. În intestinul subțire, sucurile pancreatice și secrețiile hepatice digeră proteinele, grăsimile și carbohidrații complecși. Cea mai mare parte a nutriției din alimente este absorbită în timpul călătoriei sale prin peste șapte picioare de intestine subțiri. Apoi, intestinul gros absorb apa reziduală și electroliții și stochează restul de materii fecale.

Deși sistemul digestiv uman este destul de eficient, există discrepanțe între populația umană cu privire la ceea ce indivizii pot sau nu pot digera. De exemplu, aproximativ șaptezeci la sută dintre oameni nu pot digera lactoza în lapte și alte produse lactate, deoarece corpurile lor au pierdut treptat capacitatea de a produce lactază (4). Oamenii pot suferi, de asemenea, de alte deficiențe de enzime sau hormoni care afectează digestia și absorbția, cum ar fi diabetul.

Studiile comparative arată că sistemul digestiv uman este mult mai apropiat de cel al erbivorelor decât de carnivorele. Oamenii au dinții scurți și tociti ai erbivorelor și intestinele relativ lungi - de aproximativ zece ori lungimea corpului lor. Colonul uman demonstrează, de asemenea, structura învelită specifică erbivorelor (5). Cu toate acestea, gura, stomacul și ficatul uman pot secreta enzime pentru a digera aproape orice tip de zahăr, cu excepția celulozei, care este esențială pentru supraviețuirea unui erbivor.

În cazul intoleranței la lactoză, suplimentele de lactază pot remedia cu ușurință deficiența, deci ceea ce corectează incapacitatea de a digera celuloza?

Rumegătoare și termite

Rumegătoarele-animale, cum ar fi bovine, capre, oi, bizoni, bivoli, căprioare și antilope - regurgitează ceea ce mănâncă sub formă de cud și le mestecă din nou pentru digestie suplimentară (6). Intestinele rumegătoarelor sunt foarte asemănătoare cu intestinele umane sub forma și funcția lor (Fig. 3). Cheia digestiei specializate a rumegătoarelor se află în rumen. Rumegătoarele, ca și oamenii, secretă, de asemenea, saliva ca pas principal în digestie, dar spre deosebire de oameni, înghit mâncarea mai întâi doar pentru a o regurgita mai târziu pentru a mesteca. Rumegătoarele au stomacuri cu mai multe camere, iar particulele alimentare trebuie făcute suficient de mici pentru a trece prin camera reticulului în camera rumenei. În interiorul rumenului, bacterii speciale și protozoare secretă enzimele necesare pentru descompunerea diferitelor forme de celuloză pentru digestie și absorbție.

Celuloza are multe forme, dintre care unele sunt mai complexe și mai greu de descompus decât altele. Unii dintre microbii din rumen, cum ar fi Fibrobacter succinogenes, produc celulază care descompune formele mai complexe de celuloză din paie, în timp ce altele precum Ruminococci produc celulază extracelulară care hidrolizează celuloză amorfă mai simplă (7). Convenabil, hidroliza celulozei produce mai multe produse secundare, cum ar fi celobioză și dizaharidele pentozice, care sunt utile microbilor galbeni. Reacțiile produc alte produse secundare, cum ar fi metanul, care în cele din urmă este eliminat din rumegătoare (7). Astfel, microbii și rumegătoarele trăiesc simbiotic, astfel încât microbii produc celulază pentru a descompune celuloza pentru rumegătoare în timp ce câștigă o sursă de hrană pentru propria lor hrănire.

Figura 3: Sistemul digestiv al rumegătoarelor

Tehnologii actuale

Oamenii sunt de mult interesați să exploateze energia din celuloză. Cu toate acestea, majoritatea companiilor și grupurilor de cercetare se concentrează doar pe modalități de a valorifica acea energie ca biocombustibil și nu ca aliment. Cercetările majore vizează transformarea materialului celulozic în etanol, deși acest proces este încă ineficient și necesită rafinament.

Celuloza trebuie mai întâi hidrolizată în componente de zahăr mai mici, cum ar fi glucoza, pentozele sau hexozele, înainte de a putea fi fermentate în bioetanol (9). O metodă folosește acizi pentru hidrolizarea celulozei, dar aceasta poate distruge o mare parte din zahărul din proces. O altă modalitate de hidrolizare a celulozei este prin imitarea microorganismelor din rumegătoare și termite. Inginerii bioenergetici pot folosi enzimele produse de microbi pentru a descompune celuloza. Cu toate acestea, enzimele au limitări biologice și implementează inhibarea feedback-ului natural care pune o problemă pentru producția industrială (9). Alte bariere tehnice în calea hidrolizei enzimatice eficiente includ activitatea specifică scăzută a enzimelor comerciale actuale, costul ridicat al producției de enzime și lipsa de înțelegere a mecanismelor și biochimiei enzimelor (9).

Companiile și guvernele din toată lumea sunt dornice să investească intens în cercetare pentru a transforma biomasa în biocombustibil, ceea ce ar putea aduce beneficii enorme economiei și mediului mondial. Biomasa este ușor disponibilă, biodegradabilă și durabilă, făcându-l o alegere ideală ca sursă de energie atât pentru țările dezvoltate, cât și pentru țările în curs de dezvoltare. Acest lucru ar putea contribui, de asemenea, la reducerea problemelor de deșeuri care afectează societatea de astăzi. Statele Unite produc 180 de milioane de tone de deșeuri municipale pe an și aproximativ cincizeci la sută din acestea sunt celulozice și pot fi transformate în energie cu tehnologia potrivită (10).

Digestia celulozei la oameni

Beneficiile transformării celulozei în biocombustibili sunt la fel de relevante atunci când se ia în considerare ingineria oamenilor pentru a digera celuloza ca sursă de hrană. În prezent, tehnologia se concentrează pe controlul hidrolizei și procesării celulozei în fabrici, dar poate că în viitor oamenii ar putea servi drept mașină pentru extragerea energiei din celuloză, mai ales că enzimele utilizate pentru hidrolizarea celulozei sunt greu de izolat în cantități mari pentru uz industrial. Termitele în sine sunt creaturi mici, dar, în calitate de colonie, pot distruge case și structuri întregi. Un sistem digestiv uman sănătos transportă deja aproximativ 1 kg de bacterii, astfel încât adăugarea a câteva tipuri inofensive nu ar trebui să constituie o problemă (11).

Aceste întrebări ar putea fi analizate prin observare. Alte mamifere au supraviețuit multor milenii prin digestia celulozei cu microbi și, din moment ce oamenii sunt mamifere, nu există motive care stau la baza pentru care corpurile umane nu pot fi compatibile cu aceste organisme. Microbii care locuiesc în prezent în corpul uman produc deja gaze în interiorul sistemului digestiv, dintre care zece la sută este metan (3). Producția de metan a fost văzută ca o problemă la fermele de bovine și fermele de lapte, dar metanul în sine este un biogaz extrem de energetic care poate fi folosit ca combustibil. Exploatarea acestuia s-ar putea dovedi dificilă, având în vedere că mormintele sociale actuale nu favorizează flatulența deschisă chiar și de dragul energiei regenerabile. Cu toate acestea, s-a dovedit că anumite diete mai bogate în lucernă și semințe de in reduc producția de metan la vaci, ceea ce ar putea rezolva această problemă (13).

Concluzie

Vegetația, care lipsește grav în dieta modernă, este sursa majoră de fibre insolubile. Legumele conțin multe vitamine, substanțe nutritive și fibre solubile, care prezintă numeroase beneficii pentru sănătate, așa cum se menționează în introducere. Adăugarea acestor alimente în dieta noastră după adăugarea capacităților de digerare a celulozei ar putea contribui la asigurarea epidemiei de obezitate și la îmbunătățirea semnificativă a sănătății umane.

În cele din urmă, îmbunătățirea digestiei umane ar putea reduce foarte mult deșeurile generate de oameni și ar crește eficiența consumului uman. Trebuie doar să observăm și să înțelegem mai bine acei microbi particulari pentru a-i integra în corpurile noastre, care sunt deja favorabile din punct de vedere structural pentru o astfel de schimbare. Odată cu integrarea cu succes a microbilor, am putea reduce consumul de alimente folosind energia din celuloza nedigerabilă anterior, reducând deșeurile celulozice transformându-le în alimente, rezolvând problemele lipsei de alimente producând alge, iarbă, paie și chiar lemn comestibile și, în cele din urmă, transformă corpurile umane într-o sursă de energie regenerabilă.

4. H. B. Melvin, Pediatrie. 118, 1279-1286 (2006).

6. Biserica D. C., Fiziologia digestivă și nutriția rumegătoarelor (O&B Books, Corvallis, Oregon, 1979).

7. R. L. Baldwin, R.L., Modelarea digestiei și metabolizării rumegătoarelor (Chapman & Hall, Londra, Marea Britanie, 1995).

8. T. Abe, D. E. Bignell, M. Higashi, Ed., Termites: Evolution Sociology, Symbiosis, Ecology (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Olanda, 2000).

9. A. Demirbas, Biocombustibili (Springer-Verlag London Limited, Londra, Marea Britanie, 2009).